磁場輔助電火花線切割加工燒結釹鐵硼試驗研究

王 超，廉中旭，于 朋，許金凱

（長春理工大學機電工程學院，吉林 長春 130022）

1 引言

燒結釹鐵硼永磁材料是使用粉末冶金工藝加工生產，這種工藝首先將熔煉的合金制成粉末，在磁場環境下壓制成壓胚，隨后將壓胚在極不活潑的惰性氣體中燒結從而達到致密化，最后可通過時效熱處而提高磁體的矯頑力。

目前釹鐵硼磁體在汽車產業上的應用，是釹鐵硼磁性材料應用最為廣泛的領域之一，汽車上使用的各類電動機中，80%是稀土永磁電動機，可以通過縮小電機使汽車整體降低質量。而在電機領域釹鐵硼永磁體優異的性能也發揮重要的作用，工業電機的通用設備耗電量高，但如果在通用設備中使用釹鐵硼永磁無鐵電機則可提高其運行效率，節約電能。

而其優良的性能，磁體的體積和質量均可大幅度降低，保證輸出功率恒定[1]。

然而由于釹鐵硼永磁材料具有硬度高、脆性大、且本身所帶的磁性的特性，當用傳統車削，銑削等加工方法其加工效率低，質量差。國內外針對加工該材料開展了不同的試驗研究，其中文獻[2]以表面粗糙度和熔渣量做為衡量指標利用激光切割加工燒結釹鐵硼磁性材料，并進行試驗，最終得出了在激光加工燒結釹鐵硼過程中，脈沖寬度、頻率和電流等不同電參數的影響。文獻[3]在電火花線切割對燒結釹鐵硼永磁材料進行加工的同時，分別利用車削、銑削等傳統加工方法進行對照實驗，結果發現相對于車削和銑削等傳統加工方式，電火花線切割加工燒結釹鐵硼永磁材料效率更高，工件質量更好。文獻[7]則研究了電火花線切割加工的工藝參數對燒結釹鐵硼材料的材料去除率的影響規律。文獻[9]則利用常壓澆注與高壓噴液兩種供液方式對燒結釹鐵硼（NdFeB）永磁材料進行了電火花線切割加工對比試驗。試驗研究發現高壓噴液方式較常壓澆注方式切割效率提高35.46%，絲損降低18.75%。文獻[4]則在電火花線切割加工的方式下，利用磁場輔助的方法來改善其加工性能，試驗結果顯示當添加磁場輔助時被加工材料的材料去除率、表面精度等均有效地提高了。文獻[10-11]團隊用磁場輔助的方式，研究了電火花線切割加工非磁性材料和磁性材料的過程，研究結果發現利用磁場輔助的方式可以使放電通道的形狀發生改變，并且可以使粒子的運動軌跡延長，從而改善加工性能。綜上，國內外學者通過研究得出相對于傳統加工方式，電火花線切割加工燒結釹鐵硼永磁材料具有高效率，質量好等特點。推斷出了在磁場輔助下，電火花線切割加工的加工性能可得到顯著改善，但利用磁場輔助的方法是否能改善電火花線切割加工燒結釹鐵硼材料的效率和表面質量研究尚且不足，所以提出運用電火花線切割加工方式，結合外界磁場輔助對燒結釹鐵硼永磁材料進行加工試驗研究。

2 實驗條件

2.1 實驗設備

實驗所采用的主要加工設備為HA400U型中走絲數控線切割機床，鉬絲直徑為0.25mm、工作液為比例1：40的JR3A乳化液，磁場輔助裝置。

2.2 加工示意圖

實驗采用旋轉磁場裝置，假設其加工過程中為勻強磁場，則加工示意圖，如圖1所示。

圖1 電火花線切割加工工件過程示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Processing Process

2.3 實驗材料

實驗材料為燒結釹鐵硼材料，其主要成分為稀土釹（Nd）元素、稀土鐠（Pr）元素、鐵（Fe）元素和少量硼（B）元素[4]。

用于加工實驗的燒結釹鐵硼首先按統一的電加工參數（脈沖寬度為16μs，峰值電流為3 檔位，脈沖間隔比為8 檔位，電壓為100V）。

通過電火花線切割預先加工成（40×10×12）mm 的長方體板材可以方便加工并且形成一致的加工基準面，

3 正交實驗

HA400U型中走絲數控線切割機床可調電參數多，不同加工參數對表面粗糙度、材料去除率等工藝指標的影響不同，實驗可采用正交實驗設計的方法，是研究多水平多因素的實驗設計方法，通過正交實驗可以達到利用較少的實驗次數而得到實驗參數對表面粗糙度、材料去除率等衡量指標的影響[6-7]。此處選取電火花線切割加工中的脈沖寬度，脈沖間隔比，峰值電流三個重要電參數，其中脈沖間隔比為脈沖間隙與脈沖寬度之比，峰值電流（1～4）檔位，單脈沖峰值電流約為0.8 乘以2 的檔數乘以脈沖寬度，即Ipeak≈0.8*2I_max-1*Pul_on設計三水平三因素試驗。實驗因素水平及實驗結果見表1，其余參數包括絲速2檔，電壓100（V）。

為對比磁場輔助加工的效果，除正交實驗的9組實驗外，為了對比磁場輔助加工后是否有不同的效果，添加輔助磁場后，又進行了9組有磁場輔助加工的對照實驗。峰值電流、脈沖寬度和脈沖間隔比按正交實驗表中相同的實驗參數進行電火花線切割加工實驗。工件在加工前利用超聲振動清洗儀進行清洗，以避免工件表面雜質影響加工效率，而在加工后也要進行清洗，避免影響后續的測量及觀測。每組參數切割尺寸為（10×18×2）mm的工件，并且記錄時間，以便計算材料去除率，并且采用型號為LD120的表面粗糙度測量儀測量工件表面粗糙度，工藝指標中材料去除率按單位時間內加工的工件面積計算，計算公式，如式（1）所示。

MRR=s/t（1）

式中：s—加工面積，單位為mm2；t—加工時間，單位為s；MRR—材料去除率，單位為mm2/s。

4 實驗結果與分析

4.1 主要電參數對表面粗糙度及材料去除率的影響結果分析

測量未加磁場輔助的加工工件表面粗糙度并計算其材料去除率，記錄結果，如表1所示。

表1 無磁場輔助電火花線切割燒結釹鐵硼正交試驗結果Tab.1 Orthogonal Experimental Results of NdFeB without Magnetic Field Assisted of WEDM

對表1數據結果進行計算分析[6]得出，如表2、表3所示。從表2可以得出KA1＜KA3＜KA2，所以由極差分析可以判斷A因素中的優水平為A1，同理可以確定B、C因素的優水平分別為B1，C2，所以各個因素的最優水平組合為A2B3C1，即當脈沖寬度為16μs，脈沖間隔比為8，峰值電流為2檔位時，表面粗糙度最小。另通過極差值R的大小，可以判斷各因素對表面粗糙度的影響順序，所以根據RB＞RA＞RC，可以得出脈沖間隔對粗糙度影響最大。

表2 表面粗糙度實驗結果分析Tab.2 Analysis of Surface Roughness Results

表3 材料去除率實驗結果分析Tab.3 Analysis of the Removal Rate of the Material Results

從表3 可以得出KA1＜KA2＜KA3，所以由極差分析可以斷定A因素的優水平為A1，同理可以確定B、C因素的優水平分別為B1，C3，所以各個因素的最優水平組合為A1B1C3，即當脈沖寬度為16μs，脈沖間隔比為8，峰值電流為3 檔位時，材料去除率最優。另通過極差值R的大小，可以判斷各因素對表面粗糙度的影響順序，所以根據RB＞RA＞RC，可以得出脈沖間隔比各因素對材料去除率影響最大。

4.2 磁場輔助對表面粗糙度（Ra）及材料去除率（MRR）影響結果分析

根究正交實驗設計數據進行實驗，并且其他條件不變，添加磁場輔助做另一組實驗，按照前文公式計算材料去除率并且測量樣件表面粗糙度，記錄結果，如表4所示。

表4 磁場輔助電火花線切割燒結釹鐵硼正交試驗驗及無磁場輔助對照試驗結果Tab.4 Field-Assisted WEDM Cutting Machining of NdFeB Orthogonal Experiment and Results without Magnetic Field

利用表4數據生成折線圖，以便更加直觀的對有無磁場時粗糙度與材料去除率的區別，如圖2、圖3所示。

圖3 有無磁場輔助時Ra結果對比圖Fig.3 Comparison of Ra Results with or without Magnetic Field Assistance

圖2 是有無磁場輔助時的9 組實驗材料去除率MRR 的結果。從圖中可以觀察出，在其余電參數相同的加工條件下，有磁場輔助時加工的材料去除率MRR 相對于無磁場輔助加工時，均有明顯幅度增加。

通過材料去除率MRR的對比結果，在電火花線切割加工過程中，磁場輔助可以顯著的提高電火花線切割加工燒結釹鐵硼的材料去除率。

圖3 是有無磁場輔助時的9 組實驗表面粗糙度Ra的結果。從圖中可以觀察出，在其余電參數相同的加工條件下，添加磁場輔助后被加工的工件表面粗糙度Ra相較于無磁場輔助時工件表面粗糙度均有所減小。表面粗糙度Ra的對比結果同樣說明，加工過程中，磁場輔助可以顯著提高電火花線切割加燒結釹鐵硼的表面質量。

4.3 磁場輔助對表面微觀形貌及總能譜影響分析

使用型號為EV0 MA25的掃描電子顯微鏡對工件表面微觀形貌進行觀察，并且做能譜分析，結果，如圖4、圖5所示。

圖4 不同表面的SEM對比圖Fig.4 Comparison of SEM Images of Different Surfaces

圖4是第1組和第8組參數加工的工件通過掃描電子顯微鏡得到的工件表面SEM圖。從圖中對比可看出，圖4（a）中的工件表面的電蝕坑尺寸要比圖4（c）的工件大得多，而且在高溫下熔融的金屬再結晶蝕除顆粒大部分附著在工件表面上、未加磁場輔助加工時工件表面產生的氣孔比加磁場輔助時加工工件的大且多。

這說明，在連續脈沖放電加工過程中，外界磁場輔助可以使電火花放電通道內的電子更加集中且分布更均勻，并且可以利用磁場吸附作用來磁場避免氣化的蝕除物碎片再次液化結晶附著在工件表面，從而影響工件表面質量，所以在磁場輔助下加工后的工件表面更均勻，加工后表面質量更好。

圖4（b）、圖4（d）是圖4（a），圖4（c）中兩組工件放大3000 倍的表面SEM圖。

對比圖4（b）、圖4（d）可以發現，相同加工條件下，有磁場輔助加工時工件表面的裂紋比物磁場輔助加工的少，而且裂紋長度要比無磁場輔助的短。

圖5為不同加工條件下工件表面總能譜圖：從圖5（a）可以看出，未加磁場輔助利用電火花線切割加工后的燒結釹鐵硼中Fe與Nd的占比分別為46.2%和31.4%，由于Fe的熔點較高于Nd的熔點，所以經過加工放電高溫熔化后的Fe更易重新凝固形成重鑄層，影響加工表面質量，而圖5（b）中加磁場輔助加工的工件表面Fe與Nd的占比分比為34.9%和29.4%，可以看出較未加磁場輔助時Fe占比明顯下降，證明更多熔融的Fe通過磁場吸附而排除，從而使加工表面粗糙度等有明顯改善。

圖5 不同條件下工件面總能譜圖Fig.5 Total Energy Spectrum of the Workpiece Surface Under Different Conditions

5 結論

（1）通過對正交實驗結果分析，得出電火花線切割主要電參數對被加工工件的表面粗糙度的最優組合為脈沖間隔比8，脈沖寬度16μs，峰值電流2檔位，影響最大的為脈沖間隔比。而對被加工工件的材料去除率的最優組合為脈沖間隔比8，脈沖寬度16μs，峰值電流為3檔位，影響最大因素為脈沖間隔。

（2）通過對有無磁場輔助時，工件表面粗糙度和材料去除率的變化，可以看出在磁場輔助下工件表面粗糙度及材料去除率得到明顯改善。

（3）通過掃描電子顯微鏡觀測有無磁場輔助時的工件表面，可以發現未加磁場輔助工件表面的顆粒、電蝕坑尺寸和氣孔要比加磁場輔助加工的工件大得多，并且工件表面的裂紋較少，這說明在相同加工條件下有磁場輔助時加工后表面質量更好。

（4）通過有無磁場輔助加工的零件表面能譜分析可以發現，其中Nd與Fe的元素占比發現明顯變化，其中在磁場輔助下更多熔融的Fe元素通過磁場吸附而排除，從而使加工表面粗糙度等有明顯改善。